KR20020084165A - Novel blend polymer membranes for use in fuel cells - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 술폰화 방향족 아릴 중합체에 기초한 신규한 중합체 블렌드 막 및 연료 전지, 특히 저온 연료 전지의 중합체 전해질 막으로서의 이의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to novel polymer blend membranes based on sulfonated aromatic aryl polymers and their use as polymer electrolyte membranes in fuel cells, especially low temperature fuel cells.
연료 전지 기술은 우주 비행, 도로 운송수단, 잠수함 및 고정 에너지 공급 분야에서 매우 잠재적인 용도를 지니고 있다. 특히, 연료 전지에 의해 구동되는 자동차는 교통 부문의 환경 보호의 개선이 기대되고 있다. 그러나, 몇 가지 기술적인 문제점은 별개로 하고, "비용/이익 비율"의 특정 문제점을 안고 있다. 연료 전지 비용의 대폭적인 감소가 절대적으로 필요하다. 그러므로 연료 전지에 대하여 필요한 성능을 제공하는 값이 싼 성분의 개발에 매우 관심이 쏠리고 있다.Fuel cell technology has many potential uses in aerospace, road transport, submarines and fixed energy supply. In particular, automobiles driven by fuel cells are expected to improve environmental protection in the transportation sector. However, apart from some technical problems, there are certain problems with the "cost / benefit ratio". A significant reduction in fuel cell costs is absolutely necessary. Therefore, there is a great interest in the development of inexpensive components that provide the required performance for fuel cells.
중합체 전해질 막 연료 전지는 통상적으로 터미날 리드(terminal lead), 기체 분배기, 전극 및 중합체 전해질 막을 포함하는 전지 유닛으로 이루어진다. 전극은 통상적으로 촉매로서 백금을 포함한다. 이러한 연료 전지는 기체 수소 또는 메탄올(DMFC = direct methanol fuel cell)을 이용하여 작동한다.Polymer electrolyte membrane fuel cells typically consist of a cell unit comprising a terminal lead, a gas distributor, an electrode and a polymer electrolyte membrane. The electrode typically comprises platinum as a catalyst. Such fuel cells operate using gaseous hydrogen or methanol (DMFC = direct methanol fuel cell).
연료 전지에 사용하기 위해, 막은 충분한 화학적 및 기계적 안정도 및 높은 양성자 전도도를 가져야할 뿐만 아니라 제조하는 데에 비용이 적게 들어야 한다.이러한 이유로, 기능화를 위한 우수한 특성들을 갖는 비용이 저렴한 출발 물질 및 비용이 적게 드는 막 제조 공정이 결정적인 요인이다.For use in fuel cells, the membrane must not only have sufficient chemical and mechanical stability and high proton conductivity, but also must be less expensive to manufacture. For this reason, low cost starting materials and cost with excellent properties for functionalization Low cost membrane fabrication is a decisive factor.
지금까지 사용해 온 퍼플루오르화 양이온 교환 막은 이러한 관점에서 심각한 결핍을 나타낸다. 복잡한 제조 공정 및 재활용 문제는 별개로 하여도, 이 물질은 매우 비싸고, 메탄올 연료 전지에 이들 막을 사용하는 것을 매우 제한하는 높은 메탄올 투과도를 갖는다.The perfluorinated cation exchange membranes that have been used to date show a serious deficiency in this respect. Apart from the complex manufacturing process and recycling issues, this material is very expensive and has a high methanol permeability which greatly limits the use of these membranes in methanol fuel cells.
추가의 막 물질은 폴리벤즈이미다졸(PBI) 및 폴리에테르 술폰(PES)과 같은 변성된 내열성 중합체이다. 이러한 목적을 위해 PBI는 통상적으로 인산으로 처리된다(문헌[참조: Wainright, J.S.; Wang, J.-T.; Savinell, R.F.; Litt, M.; Moaddel, H.; Rogers, C.; Acid Doped Polybenzimidazoles, A New Polymer Electrolyte; The Electrochemical Society, Spring Meeting, San Francisco, May 22-27, Extended Abstracts, Vol.94-1, 982-983(1994)]). 인산 분자는 우선 수소 결합에 의해 중합체에 부착되고, 다음으로 막의 이미다졸 그룹의 양성자화에 의해 결합된다. 그러나, 인산이 연료 전지의 작동 중에 생성되는 물과 함께 PBI 매트릭스로부터 점차적으로 제거되는 문제점이 있다. 더우기, PBI-인산 막은 탄성율이 매우 낮으며, 이것이 연료 전지의 불만족스러운 막 안정성이 예상되는 이유이다.Further membrane materials are modified heat resistant polymers such as polybenzimidazole (PBI) and polyether sulfone (PES). For this purpose, PBI is usually treated with phosphoric acid (Wainright, JS; Wang, J.-T .; Savinell, RF; Litt, M .; Moaddel, H .; Rogers, C .; Acid Doped Polybenzimidazoles, A New Polymer Electrolyte; The Electrochemical Society, Spring Meeting, San Francisco, May 22-27, Extended Abstracts, Vol. 94-1, 982-983 (1994)]. Phosphoric acid molecules are first attached to the polymer by hydrogen bonding, followed by protonation of the imidazole group of the membrane. However, there is a problem that phosphoric acid is gradually removed from the PBI matrix along with the water produced during operation of the fuel cell. Moreover, PBI-phosphate membranes have very low elastic modulus, which is why unsatisfactory membrane stability of fuel cells is expected.
유럽 공개특허공보 제0574791호 및 문헌[참조: Nolte, R.; Ledjeff, K.; Bauer, M. and Mulhaupt, R.: Partially Sulfoned poly(arylene ether sulfone)-A Versatile Proton Conducting Membrane Material for Modern Energy Conversion Technologies; Journal of Membrane Science 83, 211-220(1993)]에는 술폰화 아릴중합체, 예를 들면, 술폰화 PEEK, PEK 및 PES에 기초한 저렴한 비용의 대안 물질이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 술폰화 아릴 중합체로 만들어진 양이온 교환막은 승온에서 심하게 팽윤하는 경향을 나타낸다. 이는 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 이러한 막의 적합성을 매우 제한한다.EP-A-574791 and in Nolte, R .; Ledjeff, K .; Bauer, M. and Mulhaupt, R .: Partially Sulfoned poly (arylene ether sulfone) -A Versatile Proton Conducting Membrane Material for Modern Energy Conversion Technologies; Journal of Membrane Science 83, 211-220 (1993) describes low cost alternatives based on sulfonated aryl polymers such as sulfonated PEEK, PEK and PES. However, cation exchange membranes made of such sulfonated aryl polymers tend to swell severely at elevated temperatures. This greatly limits the suitability of such membranes for use in fuel cell systems.
독일 공개특허공보 제4422158호, 독일 공개특허공보 제198 13 613호, 독일 공개특허공보 제198 17 376호 및 독일 공개특허공보 제198 17 374호에는 기계적 안정성이 개선된 술폰화 아릴 중합체에 기초한 중합체 블렌드 막이 기재되어 있다.German Patent Publication No. 4422158, German Patent Publication No. 198 13 613, German Patent Publication No. 198 17 376 and German Patent Publication No. 198 17 374 are polymers based on sulfonated aryl polymers with improved mechanical stability. Blend membranes are described.
이러한 블렌드의 중요한 필수 조건은 선택된 물질의 혼화성이다. 이를 위해, 화학적 구조가 유사한 물질들만이 혼합되며, 이때는 상보 그룹들을 갖는 중합체들 사이의 특이 상호작용이 일어나는 경우에만, 예를 들면, 다중산 및 다중염기로부터의 다중염의 생성, 수소결합 등의 생성 등이 발생한다.An important prerequisite for such blends is the miscibility of the selected materials. To this end, only substances with similar chemical structures are mixed, in which case only the specific interactions between polymers with complementary groups occur, for example, the production of multiple salts from polyacids and multiple bases, the formation of hydrogen bonds and the like. Etc.
중합체 블렌드 막 개발의 중요한 이점은 막의 구조 또는 막의 특성이 블렌드 성분들 및 혼합비를 다양하게 함으로써 목적한 방식으로 최대로 활용할 수 있다는 것이다.An important advantage of polymer blend membrane development is that the structure or properties of the membrane can be maximally utilized in the desired manner by varying the blend components and mixing ratios.
이런 식으로, 독일 공개특허공보 제4422158호에는 술폰화 폴리에테르 케톤(PEK) 및 변형되지 않은 폴리에테르 술폰(PES)을 포함하는 중합체 블렌드 막에 대하여 기재되어 있다. 이들 두 가지 성분은 서로 완전하게 혼합될 수 있는데, 이는 이들의 매우 유사한 화학적 구조 및 PES의 극성(이온-쌍극자 상호작용)에 기인할 수 있다. 그러나, 구조적 유사성에 기인하는 이러한 상호작용이 여전히 불충분해 보임으로써, 이들 막이 연료 전지의 작동에 필요한 이온 교환 능력에 있어서 승온에서 매우 심하게 팽윤될 위험이 있다.In this way, German Patent Publication No. 4422158 describes a polymer blend membrane comprising sulfonated polyether ketone (PEK) and unmodified polyether sulfone (PES). These two components can be mixed perfectly with each other, which can be attributed to their very similar chemical structure and polarity (ion-dipole interaction) of the PES. However, such interactions due to structural similarity still appear insufficient, so there is a risk that these membranes will swell very heavily at elevated temperatures in terms of the ion exchange capacity required for operation of the fuel cell.
독일 공개특허공보 제4422158호에는, 개선된 물흡수력(water uptake)을 나타내나 어떠한 정량적 데이터도 보고되지 않은, 술폰화 PEK, PES, 폴리비닐피롤리돈(PVP) 및 폴리글리콜 디메틸 에테르(PG)를 포함하는 3성분 또는 4성분 블렌드에 대하여 기재되어 있다.German Patent Publication No. 4422158 discloses sulfonated PEK, PES, polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyglycol dimethyl ether (PG), which show improved water uptake but no quantitative data are reported. A three or four component blend is described.
독일 공개특허공보 제198 17 374호에는, 술폰화 아릴 중합체로부터 PBI(예를 들면, PEEK-SO2-O-H-N-PBI)로의 양성자 전이에 의해 공유 가교결합하는 술폰화 아릴 중합체(PEEK 및 PSU) 및 폴리벤즈이미다졸 PBI의 블렌드에 대하여 기재되어 있다. 이러한 가교결합은 불용성 고분자 전해질 착물이 생성되는 결과로서, 용매, 예를 들면, N-메틸피롤리돈(NMP)내에서 실온일 때조차 일어난다. 중합체 블렌드 막을 제조하기 위해, 술폰화 아릴 중합체를 가용성 염 형태로 전환하여야 한다. 이 추가 단계가 막의 제조를 복잡하게 만든다.German Patent Publication No. 198 17 374 discloses sulfonated aryl polymers (PEEK and PSU) covalently crosslinked by proton transfer from sulfonated aryl polymers to PBI (eg, PEEK-SO 2 -OHN-PBI) and Blends of polybenzimidazole PBI have been described. This crosslinking occurs even when at room temperature in a solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) as a result of insoluble polymer electrolyte complexes. In order to produce a polymer blend membrane, the sulfonated aryl polymer must be converted to soluble salt form. This additional step complicates the manufacture of the membrane.
PBI와 아릴 중합체 사이의 상호 작용이 너무 강하여 막에서 가교결합 영역, 물에 의해 팽윤된 겔상 및 중합체 매트릭스 사이에서 높은 불균질성이 생성된다. 이는 막의 기계적 안정성을 저하시킬 수 있는 막의 내부 응력을 야기할 수 있다.The interaction between the PBI and the aryl polymer is so strong that high homogeneity is created between the crosslinking region in the membrane, the gel phase swollen by water and the polymer matrix. This can cause internal stress of the membrane which can degrade the mechanical stability of the membrane.
선행 기술에는 아민화 폴리술폰(PSU)과 함께 술폰화 아릴 중합체 PEEK 또는 PSU를 포함하는 중합체 블렌드 막에 대하여 기재되어 있다. 이 주제에 있어서, 문헌[참조: Cui, W in Entwicklung und Charakterisierung von Kationenaustauscher-Membranen aus Arylpolymeren(VDI publishers; ISBN 3-18-359603-2)]에는 아민화폴리술폰이 약한 다중염기이고 따라서 다중산/염기 혼합물이 용액내에서 생성될 수 있다고 기재되어 있다. 이온 상호작용 및 수소 결합, 즉 물리적 가교결합을 지닌 환 구조가 모두 블렌드 성분들 사이에 존재한다. 이 중합체 블렌드 막을 PEMFC 및 DMFC에서 테스트하면, H2/O2-PEMFC에서 전압이 0.7V일 때 전류 밀도가 1.0 내지 1.2A/cm2이고 공기/H2-PEMFC에서 전류 밀도가 0.4 내지 0.6A/cm2이다. DMFC에서, 이 막은 또한, 예를 들면, Nafion-117에 필적하는 U-I 커브를 나타낸다.The prior art describes polymer blend membranes comprising sulfonated aryl polymer PEEK or PSU with aminated polysulfone (PSU). In this topic, Cui, W in Entwicklung und Charakterisierung von Kationenaustauscher-Membranen aus Arylpolymeren (VDI publishers; ISBN 3-18-359603-2), shows that aminated polysulfones are weak polybasics and therefore It is described that base mixtures can be produced in solution. Both ionic interactions and hydrogen bonds, ie ring structures with physical crosslinks, are present between the blend components. When tested in PEMFC and DMFC, this polymer blend membrane had a current density of 1.0 to 1.2 A / cm 2 at a voltage of 0.7 V in H 2 / O 2 -PEMFC and a 0.4 to 0.6 A current density in air / H 2 -PEMFC. / cm 2 . In DMFC, this film also exhibits a UI curve comparable to Nafion-117, for example.
이러한 배경을 고려하면, 연료 전지에 사용하기 위한 이온 상호 작용에 의해 가교결합된 중합체 블렌드 막의 개발은 저온 연료 전지에 대하여 전도 유망하다.Given this background, the development of crosslinked polymer blend membranes by ionic interactions for use in fuel cells is promising for low temperature fuel cells.
본 발명의 목적은, 적어도 선행 기술과 동일하거나 그보다 더 나은 성능을 갖는 연료 전지의 중합체 전해질 막을 제조하는 것이 가능한 저렴한 중합체 블렌드를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an inexpensive polymer blend capable of producing a polymer electrolyte membrane of a fuel cell having at least the same or better performance than the prior art.
발견해야 할 중합체 블렌드는 혼합비 변화에 의해 이들 막의 특성을 목적하는 방식의 연료 전지의 작동 조건에 매치시키는 것이 가능하도록 해야 한다.The polymer blends to be found should be able to match the properties of these membranes to the operating conditions of the fuel cell in the desired manner by varying the mixing ratio.
상기 목적은 이온 상호 작용에 의해 가교결합되고 강화 성분으로서의 변성된 폴리에테르 술폰 및 폴리에테르 에테르 술폰, 예를 들면, 아민화 폴리에테르 술폰 및 기능성 중합체로서의 술폰화 아릴 중합체 및 가소제에 기초한 신규한 중합체 블렌드 막에 의해 성취할 수 있다.The object is a novel polymer blend based on modified polyether sulfones and polyether ether sulfones as reinforcing components as ionic interactions and sulfonated aryl polymers and plasticizers as functional polymers, for example aminated polyether sulfones and functional polymers. Can be achieved by the membrane.
본 발명은, 술폰산 그룹을 함유하는 하나 이상의 아릴 중합체에 기초한 하나 이상의 기능성 중합체(A), 하나 이상의 아민화 폴리에테르 술폰/폴리에테르 에테르술폰 또는 니트로화 폴리에테르 술폰/폴리에테르 에테르 술폰을 기초로 하고, 기능성 중합체와의 상호 작용의 결과로서, 팽윤 거동에 대한 막의 안정성을 향상시키는 하나 이상의 강화용 중합체(B) 및 이들 중합체들의 취성을 감소시키는 하나 이상의 가소제(C)를 포함하는 중합체 블렌드 막을 제공한다.The invention is based on at least one functional polymer (A) based on at least one aryl polymer containing sulfonic acid groups, at least one aminated polyether sulfone / polyether ethersulfone or nitrated polyether sulfones / polyether ether sulfones Providing a polymer blend membrane comprising at least one reinforcing polymer (B) which improves the stability of the membrane to swelling behavior as a result of its interaction with the functional polymer and at least one plasticizer (C) which reduces the brittleness of these polymers. .
본 발명에 따라 사용되는 기능성 중합체는 술폰화 아릴 중합체, 예를 들면, 술폰화 PEEK(SPEEK), 술폰화 PEK(SPEK), 술폰화 PEEKK(SPEEKK), 술폰화 PES(SPES) 또는 술폰화 PEES(SPEES)이다.The functional polymers used according to the invention are sulfonated aryl polymers, for example sulfonated PEEK (SPEEK), sulfonated PEK (SPEK), sulfonated PEEKK (SPEEKK), sulfonated PES (SPES) or sulfonated PEES ( SPEES).
본 발명에 따라서, 중합체 블렌드 막은 PBI 및 변성된 폴리에테르 술폰 또는 변성된 폴리에테르 에테르 술폰으로부터 생성될 수 있다. 이 중합체 블렌드 막은 PBI 막처럼 인산에 의해 기능화된다.According to the invention, the polymer blend membrane can be produced from PBI and modified polyether sulfones or modified polyether ether sulfones. This polymer blend membrane is functionalized by phosphoric acid like the PBI membrane.
이와 같은 아릴 중합체는,Such aryl polymers,
,,및 , , And
로 이루어진 그룹으로부터 선택된 방향족 빌딩 블록 및Aromatic building blocks selected from the group consisting of
-CF2-, -O-,,및 -CF 2- , -O-, , And
로 이루어진 그룹으로부터 선택된 열적으로 안정한 연결 단위를 포함한다.And a thermally stable linking unit selected from the group consisting of:
아릴 중합체의 술폰화가 공지되어 있다. 따라서, 유럽 특허공보 제0574791호에는 술폰화 PEEK의 제조에 대하여 기재되어 있다. 유럽 공개특허공보 제008895호, 유럽 공개특허공보 제041780호 및 유럽 공개특허공보 제0576807호에는 술폰화 PEK의 제조에 대하여 기재되어 있다. 술폰화 PEEKK의 제조는 문헌[참조: E. Muller in "Vernetzte PEEKK-Sulfonamide zur Trennung von Aliphaten/Aromaten-Gemischen"(Research work for a degree, 1995, Hoechst AG, Frankfurt/Main)]으로부터 공지되어 있다. 유럽 공개특허공보 제0008894호 및 유럽 공개특허공보 제0112724호에는 폴리에테르 술폰의 제조에 대하여 기재되어 있다.Sulfonation of aryl polymers is known. Thus, European Patent Publication No. 0574791 describes the preparation of sulfonated PEEK. EP 008895, EP 041780 and EP 0576807 describe the preparation of sulfonated PEKs. The preparation of sulfonated PEEKK is known from E. Muller in "Vernetzte PEEKK-Sulfonamide zur Trennung von Aliphaten / Aromaten-Gemischen" (Research work for a degree, 1995, Hoechst AG, Frankfurt / Main). EP0008894 and EP0112724 describe the preparation of polyether sulfones.
술폰화도는 바람직하게는 0.1% 내지 100%이다.The sulfonation degree is preferably 0.1% to 100%.
본 발명에 따라 사용되는 기능성 중합체는 중합체 전체를 기준으로 하여 30중량% 내지 99.9중량%의 양으로 사용된다.The functional polymers used according to the invention are used in amounts of 30% to 99.9% by weight, based on the whole polymer.
본 발명에 따라 사용되는 강화용 중합체는,Reinforcing polymers used according to the present invention,
또는or
의 구조 단위(여기서, x는 각각 독립적으로 0,1,2,3 또는 4이다)를 포함하는아민화 폴리에테르 술폰 또는 폴리에테르 에테르 술폰 또는Aminated polyether sulfones or polyether ether sulfones comprising structural units of wherein x is each independently 0,1,2,3 or 4
또는or
의 구조 단위(여기서, x는 각각 독립적으로 0,1,2,3 또는 4이다)를 포함하는 니트로화 폴리에테르 술폰 또는 폴리에테르 에테르 술폰이다.Is a nitrated polyether sulfone or polyether ether sulfone comprising a structural unit of wherein x is each independently 0, 1, 2, 3 or 4.
또는or
형태의 구조 단위를 포함하는 아민화 폴리에테르 술폰 및 폴리에테르 에테르술폰이 특히 더 바람직하다.Particular preference is given to aminated polyether sulfones and polyether ethersulfones comprising structural units in the form.
또는or
형태의 구조 단위를 포함하는 니트로화 폴리에테르 술폰 및 폴리에테르 에테르 술폰이 특히 더 바람직하다.Particular preference is given to nitrated polyether sulfones and polyether ether sulfones comprising structural units in the form.
본 발명에 따라 사용되는 강화용 중합체는 중합체 전체를 기준으로 하여 0.1중량% 내지 70중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 50중량%의 양으로 사용된다.The reinforcing polymers used according to the invention are used in amounts of 0.1% to 70% by weight, preferably 10% to 50% by weight, based on the whole polymer.
블렌드 성분들(다중산/다중염기 블렌드 또는 다중산/다중산 블렌드)간의 이온 상호작용을 다음과 같이 나타낼 수 있다:Ionic interactions between blend components (polyacid / polybase blend or polyacid / polyacid blend) can be expressed as follows:
PES-NH2+ 아릴 중합체-SO3H →PES-(NH3)+ -SO3-아릴 중합체PES-NH 2 + polymer aryl -SO 3 H → PES- (NH 3 ) + - SO 3 - aryl polymer
PES-NO2+ 아릴 중합체-SO3H →PES-(NO2-H)+ -SO3-아릴 중합체PES-NO 2 + aryl polymer -SO 3 H → PES- (NO 2 -H) + - SO 3 - aryl polymer
예를 들면:For example:
PES-NH2+ PES-SO3H →PES-(NH3)+ -SO3-PESPES-NH 2 + PES-SO 3 H → PES- (NH 3 ) + -SO 3 -PES
PES-NO2+ PES-SO3H →PES-(NO2-H)+ -SO3-PESPES-NO 2 + PES-SO 3 H → PES- (NO 2 -H) + -SO 3 -PES
술폰화 폴리에테르 술폰(PES-SO3H) 및 니트로화 PES(PES-NO2)는 둘다 다중산이므로 서로 완전하게 혼합된다. PES-SO3H와 아민화 PES(PES-NH2)의 혼화성은 다중산/다중염기 혼합물의 완전한 혼합성 때문에 중요하지 않다. 여기서, PES-NH2및 PES-NO2는 막을 강화시키기 위한 "고분자 짝이온"으로서 기능한다. 이온 화합물이 승온에서 물에 용해될지라도, 상호작용은 해당 위치에서의 "고분자 짝이온"의 편재화로 인하여 남아 있게 된다. 이러한 이유로, 일차적으로 막이 이러한 이들 "고분자 짝이온"에 의해 승온에서 강화되고, 이차적으로 용해에 의해 이온 운반이 촉진된다. 따라서 본 발명의 막은 연료 전지의 사용에 필요한 유리한 승온에서의 특성들을 갖는다.Sulfonated polyether sulfones (PES-SO 3 H) and nitrated PES (PES-NO 2 ) are both polyacids, so they are thoroughly mixed with each other. The miscibility of PES-SO 3 H with aminated PES (PES-NH 2 ) is not critical because of the complete miscibility of the polyacid / polybase mixture. Here, PES-NH 2 and PES-NO 2 function as "polymer counterions" to strengthen the membrane. Although the ionic compound dissolves in water at elevated temperatures, the interaction remains due to the localization of the "polymer counterions" at that location. For this reason, membranes are primarily enhanced at elevated temperatures by these "polymer counterions", and secondary dissolution promotes ion transport. The membrane of the present invention thus has the properties at advantageous elevated temperatures required for the use of a fuel cell.
폴리에테르 술폰(PES)은 시판중이며, 높은 열 및 화학적 안정성 및 양호한 기계적 안정성을 갖는다. 중합체의 극성은 물흡수력을 촉진시킨다.Polyether sulfones (PES) are commercially available and have high thermal and chemical stability and good mechanical stability. The polarity of the polymer promotes water absorption.
니트로화 및 아민화 폴리에테르 술폰 및 니트로화 및 아민화 폴리에테르 에테르 술폰의 제조방법은 동시에 제출된 독일 특허출원 제10010002.3호에 기재되어 있다.Processes for the preparation of nitrated and aminated polyether sulfones and nitrated and aminated polyether ether sulfones are described simultaneously in German Patent Application No. 10010002.3.
본 발명의 목적과 관련하여, 가소제는 중합체 블렌드로부터 생성된 막의 취성을 감소시키는 물질이다. 적합한 가소제는 연료 전지에 효과적인 조건하에서 불활성이어야 한다. 더우기, 가소제는 기능성 중합체 및 강화용 중합체와 혼합 및 혼화가능해야 하며, 동일한 쌍극성 용매, 예를 들면, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 술폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 N,N-디메틸아세트아미드(DMAC)에 용해될 수 있어야 한다.For the purposes of the present invention, plasticizers are substances which reduce the brittleness of membranes produced from polymer blends. Suitable plasticizers should be inert under conditions effective for fuel cells. Moreover, the plasticizer must be mixed and miscible with the functional polymer and the reinforcing polymer, and the same dipolar solvents such as dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP) Or be soluble in N, N-dimethylacetamide (DMAC).
가소제로서 선형 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 기능성 중합체, 강화 성분 및 가소제를 포함하는 3성분 중합체 블렌드 막의 성분은 수소 결합, 산-염기 상호작용 및 이온-쌍극자 상호작용으로 인하여 서로 혼화된다. 막에서의 물리적 가교결합도 마찬가지로 기여한다. 그러나, PVDF 및 변성 아릴 중합체 사이의 이온-쌍극자 상호작용은 매우 약하다. 블렌드 중의 PVDF의 비율이 증가하면, 막내에서 상 분리가 일어난다. 이는 막이 광학적으로 탁해지도록 한다.Particular preference is given to using linear polyvinylidene fluoride (PVDF) as the plasticizer. The components of the three component polymer blend membrane comprising the functional polymer, the reinforcing component and the plasticizer are miscible with each other due to hydrogen bonding, acid-base interactions and ion-dipole interactions. Physical crosslinking in the membrane also contributes. However, ion-dipole interactions between PVDF and modified aryl polymers are very weak. As the proportion of PVDF in the blend increases, phase separation occurs in the membrane. This causes the film to become optically cloudy.
가소제 함량은 중합체 전체를 기준으로 하여 5중량% 이하, 바람직하게는 0.001중량% 내지 3중량%, 특히 0.1중량% 내지 2중량%이다.The plasticizer content is up to 5% by weight, preferably from 0.001% to 3% by weight, in particular from 0.1% to 2% by weight, based on the entire polymer.
PVDF는 시판중이며, 우수한 열 및 화학적 안정성을 갖는다. PVDF의 화학 구조는 다음과 같다:PVDF is commercially available and has excellent thermal and chemical stability. The chemical structure of PVDF is as follows:
본 발명의 3성분 중합체 블렌드 막의 제조는 마찬가지로 이하에 기술하는 공정으로 실행된다.The production of the three component polymer blend membrane of the present invention is likewise carried out by the process described below.
본 발명의 중합체 블렌드 막의 제조는 다음과 같이 실행된다: 술폰화 아릴 중합체, 아민화 PES 또는 니트로화 PES 및 가소제를 포함하는 균질 중합체 혼합물의 용액을 지지체 상에 붓고 이어서 닥터 블레이드(doctor blade)로 펴발라서 균일한 두께의 막을 생성한다. 막 중의 용매를, 예를 들면, 증발에 의해 제거한다. 적합한 용매로는, 특히, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸 술폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈(NMP) 또는 N,N-디메틸아세트아미드(DMAC)가 있다. 이어서 건조된 막을 지지체로부터 분리시켜서 생성된 막을 컨디셔닝한다.The preparation of the polymer blend membrane of the present invention is carried out as follows: A solution of a homogeneous polymer mixture comprising a sulfonated aryl polymer, aminated PES or nitrated PES and a plasticizer is poured onto a support and then spread with a doctor blade. To produce a film of uniform thickness. The solvent in the film is removed by evaporation, for example. Suitable solvents are, in particular, dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP) or N, N-dimethylacetamide (DMAC). The dried membrane is then separated from the support to condition the resulting membrane.
본 발명은 경제적으로 유리한 중합체 블렌드 물질을 제공한다; 출발 중합체는 비용이 저렴하며, PES 및 PEES의 변성 방법 및 중합체 블렌드 막의 제조가 간단하다.The present invention provides an economically advantageous polymer blend material; Starting polymers are inexpensive and the process of denaturing PES and PEES and the preparation of polymer blend membranes are simple.
막의 구조 및 막의 특성, 예를 들면, 전도성 및 막의 팽윤은 이 막이 사용될 적용 분야에 따라서 조절될 수 있다. 술폰화 아릴 중합체로 제조된 막과 비교하여, 본 발명의 중합체 블렌드 막은 개선된 기계적 특성 및 열적 특성을 나타낸다.The structure of the membrane and the properties of the membrane, such as conductivity and swelling of the membrane, can be adjusted depending on the application in which the membrane is to be used. Compared to membranes made of sulfonated aryl polymers, the polymer blend membranes of the present invention exhibit improved mechanical and thermal properties.
본 발명의 중합체 블렌드 막은 한 층 또는 다수의 동일하거나 상이한 층(다층), 예를 들면, 술폰화 아릴 중합체 및 아민화 폴리술폰(a) 및 술폰화 아릴 중합체 및 니트로화 폴리술폰(b)으로 이루어진 두개의 층으로 구성될 수 있다. 더우기, SPEK와 NH2-PES, SPEK와 NO2-PES, SPEK와 NH2-PES 및 가소제, SPEK와 NO2-PES 및 가소제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 두 개 이상의 상이한 층을 포함하는 각종 다층 막이 또한 본 발명에 포함된다.The polymer blend membrane of the present invention consists of one layer or a plurality of identical or different layers (multilayers) such as sulfonated aryl polymers and aminated polysulfones (a) and sulfonated aryl polymers and nitrated polysulfones (b). It can consist of two layers. Moreover, various multilayer membranes comprising at least two different layers selected from the group consisting of SPEK and NH 2 -PES, SPEK and NO 2 -PES, SPEK and NH 2 -PES and a plasticizer, SPEK and NO 2 -PES and a plasticizer It is included in the present invention.
본 발명은 본 발명의 범위를 한정하지 않는 이하의 실시예로 설명한다:The invention is illustrated by the following examples which do not limit the scope of the invention:
막을 특징짓는 일반적인 방법General way to characterize the membrane
⊙ 이온 교환능(IEC, meq/g): 막의 이온 교환능을 측정하기 위해 전위차 적정을 사용한다.Ion exchange capacity (IEC, meq / g): Potentiometric titration is used to measure the ion exchange capacity of the membrane.
⊙ 팽윤(swe, 중량%): 막의 팽윤은 기재, 온도 및 시간에 따라 달라진다. 막의 시험편을 특정 온도에서 특정 시간동안 물에서 컨디셔닝한다. 그리고 나서 시험편의 물 함량을 측정한다.Swelling (swe, wt%): The swelling of the membrane depends on the substrate, temperature and time. The specimen of the membrane is conditioned in water at a certain temperature for a certain time. Then the water content of the specimen is measured.
⊙ 전도도(cond, mS/cm): 막의 전도도는 임피던스 분광법(Zahnler)에 의해 20℃ 내지 90℃의 온도에서 측정 셀에서 물에서 측정한다.Conductivity (cond, mS / cm): The conductivity of the membrane is measured in water in a measuring cell at a temperature of 20 ° C. to 90 ° C. by impedance spectroscopy (Zahnler).
⊙ 기계적 특성(탄성율, N/mm2; 파단 신도, %): 막의 기계적 특성을 측정하기 위해, 시험편을 항온 습도 조절 캐비넷에서 23℃, 50% 습도로 4시간 동안 예비처리하거나 시료를 23℃ 및 80℃에서 물에서 30분 동안 컨디셔닝한다. 그리고 나서 시험편을 인장 테스터(Zwick; 예비 장력: 0.5N; 변형율: 50mm/min)에서 테스트한다.Mechanical properties (elastic modulus, N / mm 2 ; elongation at break,%): To measure the mechanical properties of the membrane, the specimens were pretreated at 23 ° C., 50% humidity for 4 hours in a constant temperature humidity cabinet or the samples were subjected to 23 ° C. and Condition in water at 80 ° C. for 30 minutes. The specimens are then tested in a tensile tester (Zwick; pretension: 0.5 N; strain: 50 mm / min).
⊙ 열적 특성: 막의 유리 전이 온도 및 분해 온도를 DSC 및 TGA로 측정한다(Mettler Toledo; 10k/min).Thermal properties: The glass transition temperature and decomposition temperature of the membrane are measured by DSC and TGA (Mettler Toledo; 10 k / min).
⊙ 투과도: 수소, 산소(기체 압력: 1bar) 및 메탄올 투과도(H2O 1000g 중 메탄올 32g)를 막 전지로 S. Pauly/A. Becker in Wiesbaden에서 온도의 함수로 측정한다.Permeability: hydrogen, oxygen (gas pressure: 1 bar) and methanol permeability (32 g of methanol in 1000 g of H 2 O) were used as membrane cells for S. Pauly / A. Measure as a function of temperature at Becker in Wiesbaden.
IEC가 0.9meq/g이고 막 팽윤(물, 80℃에서) swe가 31중량%인 시판중인 퍼플루오르화 중합체 막을 사용하여 비교한다.Comparison is made using commercially available perfluorinated polymer membranes with an IEC of 0.9 meq / g and a membrane swell (water, at 80 ° C.) swe of 31 wt%.
비교하는 막의 기계적 특성을 이하의 표에 나타낸다:The mechanical properties of the films to be compared are shown in the following table:
비교하는 막의 투과도는 다음과 같다:The permeability of the membranes to be compared is as follows:
실시예 1 및 2Examples 1 and 2
술폰화 PEEK(SPEEK) 및 아민화 PES(NH2-PES)를 포함하는 중합체 블렌드 막Polymer blend membranes comprising sulfonated PEEK (SPEEK) and aminated PES (NH 2 -PES)
SPEEK의 이온 교환능은 1.73meq/g이다. NH2-PES의 치환도는 45%(1.9meq/g)이다. 중합체 블렌드 막 TE-4는 90중량%의 SPEEK 및 10중량%의 NH2-PES를 포함하며, TE-5는 85중량%의 SPEEK 및 15중량%의 NH2-PES를 포함한다.The ion exchange capacity of SPEEK is 1.73 meq / g. The substitution degree of NH 2 -PES is 45% (1.9 meq / g). Polymer blend membrane TE-4 comprises 90% SPEEK and 10% NH 2 -PES, TE-5 comprises 85% SPEEK and 15% NH 2 -PES.
막의 특징을 나타내는 데이터를 이하에 나타낸다:The data showing the characteristics of the film is shown below:
⊙ 계산된 IEC: TE-4: IEC=1.56meq/g; TE-5:IEC=1.47meq/gCalculated IEC: TE-4: IEC = 1.56 meq / g; TE-5: IEC = 1.47meq / g
⊙ 막의 팽윤(80℃; 48h): TE-4: swe=182.7중량%; TE-5: swe=83.8중량%Swelling of the membrane (80 ° C .; 48 h): TE-4: swe = 182.7 wt%; TE-5: swe = 83.8 wt%
막 TE-5의 투과도는 40℃에서 2.35[g.50㎛/(m2·d)]이다.The permeability of the membrane TE-5 is 2.35 [g. 50 [mu] m / (m 2 · d)] at 40 deg.
수소 투과도 및 산소 투과도를 온도의 함수(TE-5)로서 도 1에 나타낸다:Hydrogen permeability and oxygen permeability are shown in FIG. 1 as a function of temperature (TE-5):
실시예 3 및 4Examples 3 and 4
술폰화 PEEKK(SPEEKK) 및 아민화 PES(NH2-PES)를 포함하는 중합체 블렌드 막Polymer blend membrane comprising sulfonated PEEKK (SPEEKK) and aminated PES (NH 2 -PES)
SPEEKK의 이온 교환능은 1.65meq/g이다. NH2-PES의 치환도는 45%(1.9meq/g)이다. 중합체 블렌드 막 TE-8은 90중량%의 SPEEKK 및 10중량%의 NH2-PES를 포함하며, TE-9는 85중량%의 SPEEKK 및 15중량%의 NH2-PES를 포함한다.The ion exchange capacity of SPEEKK is 1.65 meq / g. The substitution degree of NH 2 -PES is 45% (1.9 meq / g). Polymer blend membrane TE-8 comprises 90% SPEEKK and 10% NH 2 -PES, TE-9 comprises 85% SPEEKK and 15% NH 2 -PES.
막의 특징을 나타내는 데이터를 이하에 나타낸다.The data showing the characteristics of the film is shown below.
⊙ 계산된 IEC: TE-8: IEC=1.49meq/g; TE-9:IEC=1.40meq/g.Calculated IEC: TE-8: IEC = 1.49 meq / g; TE-9: IEC = 1.40meq / g.
⊙ 막의 팽윤(80℃; 48h): TE-8: swe=137.4중량%; TE-9: swe=95.2중량%Swelling of the membrane (80 ° C .; 48 h): TE-8: swe = 137.4% by weight; TE-9: swe = 95.2 wt%
막 TE-8의 메탄올 투과도는 40℃에서 4.11[g.50㎛/(m2·d)]이다.The methanol permeability of the membrane TE-8 is 4.11 [g. 50 [mu] m / (m 2 · d)] at 40 deg.
실시예 5 내지 7Examples 5-7
술폰화 PEK(SPEK) 및 니트로화 PES(NO2-PES)를 포함하는 중합체 블렌드 막Polymer blend membranes including sulfonated PEK (SPEK) and nitrated PES (NO 2 -PES)
SPEK의 이온 교환능은 2.13meq/g이다. NO2-PES의 치환도는 50%(1.97meq/g)이다. 중합체 블렌드 막 TE-23은 80중량%의 SPEK 및 20중량%의 NO2-PES를 포함하고, TE-24는 75중량%의 SPEK 및 25중량%의 NO2-PES를 포함하며, TE-25는 70중량%의 SPEK 및 30중량%의 NO2-PES를 포함한다.The ion exchange capacity of SPEK is 2.13 meq / g. The degree of substitution of NO 2 -PES is 50% (1.97 meq / g). Polymer blend membrane TE-23 comprises 80 wt% SPEK and 20 wt% NO 2 -PES, TE-24 comprises 75 wt% SPEK and 25 wt% NO 2 -PES, TE-25 Comprises 70% by weight SPEK and 30% by weight NO 2 -PES.
막의 특징을 나타내는 데이터를 이하에 나타낸다.The data showing the characteristics of the film is shown below.
⊙ 계산된 IEC: TE-23: IEC=1.70meq/g; TE-24: IEC=1.60meq/g, TE-25: IEC=1.49meq/g.Calculated IEC: TE-23: IEC = 1.70 meq / g; TE-24: IEC = 1.60meq / g, TE-25: IEC = 1.49meq / g.
⊙ 막의 팽윤(물속에서 80℃): TE-23: swe=99중량%; TE-24: swe=68중량%, TE-25: swe=47중량%.Swelling of the membrane (80 ° C. in water): TE-23: swe = 99% by weight; TE-24: swe = 68% by weight, TE-25: swe = 47% by weight.
실시예 8 내지 10Examples 8-10
술폰화 PEK(SPEK) 및 아민화 PES(NH2-PES)를 포함하는 중합체 블렌드 막Polymer blend membrane comprising sulfonated PEK (SPEK) and aminated PES (NH 2 -PES)
SPEK의 이온 교환능은 2.13meq/g이다. NH2-PES의 치환도는 45%(1.9meq/g)이다. 중합체 블렌드 막 TE-1은 85중량%의 SPEK 및 15중량%의 NH2-PES를 포함하고, TE-2는 80중량%의 SPEK 및 20중량%의 NH2-PES를 포함하며, TE-3은 75중량%의 SPEK 및 25중량%의 NH2-PES를 포함한다.The ion exchange capacity of SPEK is 2.13 meq / g. The substitution degree of NH 2 -PES is 45% (1.9 meq / g). Polymer blend membrane TE-1 comprises 85 wt% SPEK and 15 wt% NH 2 -PES, TE-2 comprises 80 wt% SPEK and 20 wt% NH 2 -PES, TE-3 Comprises 75% SPEK and 25% NH 2 -PES.
막의 특징을 나타내는 데이터를 이하에 나타낸다.The data showing the characteristics of the film is shown below.
⊙ 계산된 IEC: TE-1: IEC=1.82meq/g; TE-2: IEC=1.71meq/g, TE-3: IEC=1.61meq/g.Calculated IEC: TE-1: IEC = 1.82 meq / g; TE-2: IEC = 1.71 meq / g, TE-3: IEC = 1.61 meq / g.
⊙ 막의 팽윤(물속에서 80℃): TE-1: swe=167.2중량%; TE-2: swe=122중량%, TE-3: swe=70.4중량%.Swelling of the membrane (80 ° C. in water): TE-1: swe = 167.2 wt%; TE-2: swe = 122% by weight, TE-3: swe = 70.4% by weight.
실시예 11Example 11
75중량%의 SPEK(IEC=2.13meq/g), 25중량%의 NO2-PES(IEC=1.96meq/g) 및 0.5중량%의 PVDF(TE-29)를 포함하는 3성분 중합체 블렌드 막Tricomponent polymer blend membrane comprising 75 wt% SPEK (IEC = 2.13 meq / g), 25 wt% NO 2 -PES (IEC = 1.96 meq / g) and 0.5 wt% PVDF (TE-29)
막의 특징을 나타내는 데이터를 이하에 나타낸다.The data showing the characteristics of the film is shown below.
⊙ 측정된 IEC(산-염기 적정): TE-29: IEC=1.40meq/g.Measured IEC (acid-base titration): TE-29: IEC = 1.40 meq / g.
⊙ 막의 팽윤(물에서 100℃, 72시간): TE-29: swe=162중량%Swelling of the membrane (100 ° C., 72 hours in water): TE-29: swe = 162 wt%
⊙ 전도도: 23℃: 83.3mS/cm; 30℃: 99.0mS/cm; 40℃: 114.6mS/cm; 50℃: 130.1mS/cm; 60℃: 145.0mS/cm; 70℃: 159.4mS/cm; 80℃: 172.4mS/cm.Conductivity: 23 ° C .: 83.3 mS / cm; 30 ° C .: 99.0 mS / cm; 40 ° C .: 114.6 mS / cm; 50 ° C .: 130.1 mS / cm; 60 ° C .: 145.0 mS / cm; 70 ° C .: 159.4 mS / cm; 80 ° C .: 172.4 mS / cm.
실시예 12 내지 19Examples 12-19
SPEK, NH2-PES(IEC=1.9meq/g) 및 PVDF를 포함하는 3성분 중합체 블렌드 막Tricomponent polymer blend membrane comprising SPEK, NH 2 -PES (IEC = 1.9 meq / g) and PVDF
*0.1N NaOH로 전위차 적정.**시료를 물에서 80℃에서 72시간 동안 가열한다.***시료를 물에서 100℃에서 72시간 동안 가열한다. * Potentiometric titration with 0.1N NaOH. ** The sample is heated in water at 80 ° C. for 72 hours. *** The sample is heated in water at 100 ° C. for 72 hours.
기계적 특성:Mechanical properties:
⊙ TE-28(23℃; 50% 습도): 탄성율: 2689.7N/mm2; 파단 신도: 23.7%.TE-28 (23 ° C .; 50% humidity): Modulus of elasticity: 2689.7 N / mm 2 ; Elongation at break: 23.7%.
⊙ 80℃ 물속에서의 막의 기계적 특성은 이하의 표에 나타낸다.The mechanical properties of the membrane in water at 80 ° C are shown in the table below.
막을 100℃ 물속에서 72시간 동안 가열한다.The membrane is heated in 100 ° C. water for 72 hours.
동적 기계적 분석:Dynamic Mechanical Analysis:
동적 기계적 분석은 온도, 시간 및 주파수의 함수로서 저장 탄성율(E'), 손실 탄성율(E") 및 유전손실(δ)에 의해 테스트 시험편의 인성 및 감쇄 거동을 정량적으로 기술한다.Dynamic mechanical analysis quantitatively describes the toughness and attenuation behavior of test specimens by storage modulus (E ′), loss modulus (E ″) and dielectric loss (δ) as a function of temperature, time and frequency.
측정 기구는 동적 기계적 분석기 DMA 242(Netzsch-Geratebau GmbH)이다.The measuring instrument is a dynamic mechanical analyzer DMA 242 (Netzsch-Geratebau GmbH).
테스트 조건은 다음과 같다:The test conditions are as follows:
측정 모드: 인장Measurement mode: tensile
목표 진폭: 30㎛(auto.)Target amplitude: 30 μm (auto.)
정전력: Prop.: 1.2Constant power: Prop .: 1.2
동력: 0.5NPower: 0.5N
주파수: 1HzFrequency: 1 Hz
온도 범위: -50℃ 내지 300℃Temperature range: -50 ° C to 300 ° C
가열 속도: 5K/minHeating rate: 5K / min
시험편 폭: 4mmTest piece width: 4mm
측정하는 동안, 막은 온도가 증가하면서 수축한다. 온도의 추가적인 증가는 시험편의 신장을 초래한다. 200℃ 이상에서, 탄성율이 급격하게 감소한다. 시험편이 매우 많이 신장되고 δ곡선이 최대값을 넘는다. 최대값은 TE-31 및 TE-28에 대하여 254℃의 유리 전이 온도를 나타낸다. 그 결과를 표에 나타낸다.During the measurement, the membrane shrinks with increasing temperature. Further increase in temperature results in extension of the specimen. Above 200 ° C, the modulus of elasticity rapidly decreases. The specimen is stretched very much and the δ curve exceeds the maximum. The maximum value represents a glass transition temperature of 254 ° C. for TE-31 and TE-28. The results are shown in the table.
*비교 실시예; * Comparative Example;
막 TE-31 및 술폰화, 퍼플루오르화 중합체, 예를 들면, Nafion-115는 높은 감쇄 거동을 나타낸다.Membrane TE-31 and sulfonated, perfluorinated polymers such as Nafion-115 exhibit high attenuation behavior.
열적 특성Thermal properties
유리 전이 온도는 DSC로 측정하고, 분해 온도는 TGA로 측정한다.The glass transition temperature is measured by DSC and the decomposition temperature is measured by TGA.
직류 메탄올 연료 전지(DMFC)에서의 막의 테스트Membrane Testing in Direct Current Methanol Fuel Cells (DMFC)
막 TE-31:Membrane TE-31:
작동 온도: T=100℃;Operating temperature: T = 100 ° C .;
전극의 백금 함량: 양극: 0.16mg/cm2, 음극: 0.62mg/cm2;Platinum content of the electrode: anode: 0.16 mg / cm 2 , cathode: 0.62 mg / cm 2 ;
연료 전지: 1.0M 메탄올; 메탄올/공기;Fuel cell: 1.0 M methanol; Methanol / air;
전류-전압 비율: 430mV에서 150mA/cm2, 375mV에서 200mA/cm2, 250mV에서 300mA/cm2.The current-voltage ratio: 430mV at 150mA / cm 2, 200mA at 375mV / cm 2, 300mA / cm 2 at 250mV.
이 막은 DMFC에서 매우 격렬한 팽윤을 나타낸다.This membrane shows very swelling in DMFC.
막 TE-41:Membrane TE-41:
작동 온도: T=110℃;Operating temperature: T = 110 ° C .;
전극의 백금 함량: 양극: 0.16mg/cm2, 음극: 0.62mg/cm2;Platinum content of the electrode: anode: 0.16 mg / cm 2 , cathode: 0.62 mg / cm 2 ;
연료 전지: 0.4M 메탄올; 메탄올/공기; 3/3bar;Fuel cell: 0.4 M methanol; Methanol / air; 3/3 bar;
전류/전압 비율: 468mV에서 200mA/cm2, 308mV에서 300mA/cm2.Current / voltage ratio: 200 mA / cm 2 at 468 mV, 300 mA / cm 2 at 308 mV.
막 TE-42:Membrane TE-42:
작동 온도: T=110℃;Operating temperature: T = 110 ° C .;
전극의 백금 함량: 양극: 0.16mg/cm2, 음극: 0.62mg/cm2;Platinum content of the electrode: anode: 0.16 mg / cm 2 , cathode: 0.62 mg / cm 2 ;
연료 전지: 0.4M 메탄올; 메탄올/공기; 3/3bar;Fuel cell: 0.4 M methanol; Methanol / air; 3/3 bar;
전류/전압 비율: 463mV에서 200mA/cm2, 300mV에서 300mA/cm2.Current / voltage ratio: 200 mA / cm 2 at 463 mV, 300 mA / cm 2 at 300 mV.
연료 전지에서, 수소를 양극 전지에 도입하고 산소를 음극 전지에 도입한다. 수소에 의한 막 물질의 환원이 백금의 촉매 작용하에서 발생할 수 있다. 반대로, 산소에 의한 막 물질의 산화는 마찬가지로 백금의 존재하에서 발생할 수 있다. 연료 전지에서 막의 화학적 안정도를 증가시키기 위해, 다층 구조의 중합체 블렌드 막을 개발하여 왔다.In a fuel cell, hydrogen is introduced into the positive cell and oxygen is introduced into the negative cell. Reduction of the membrane material by hydrogen may occur under the catalysis of platinum. In contrast, the oxidation of the membrane material by oxygen can likewise occur in the presence of platinum. In order to increase the chemical stability of the membranes in fuel cells, polymer blend membranes having a multilayer structure have been developed.
이와 같이 이중층을 갖는 막은 총 네 개의 성분들로 이루어진다. 이중층 중의 한 층은 술폰화 PEK, 아민화 PES 및 PVDF를 포함하는 반면, 나머지 한 층은 술폰화 PEK, 니트로화 PES 및 PVDF를 포함한다.As such, a membrane having a double layer is composed of a total of four components. One of the bilayers contains sulfonated PEK, aminated PES and PVDF, while the other layer includes sulfonated PEK, nitrated PES and PVDF.
PES-NO2성분은 산소에 의한 산화에 매우 안정적이며, PES-NH2는 수소 또는 메탄올에 의한 환원에 매우 안정적이다. 이는 화학적 안정도를 향상시킨다.The PES-NO 2 component is very stable for oxidation by oxygen, and PES-NH 2 is very stable for reduction with hydrogen or methanol. This improves chemical stability.
다층 막은 다음의 단계들로 생성된다:The multilayer film is created in the following steps:
⊙ 막층은 우선 섹션 1에서 기술한 방법으로 생성된다.The membrane layer is first created by the method described in section 1.
⊙ 당해 층에 중합체 용액으로부터 박막을 도포한다. 용액을 증발시킨다.⊙ Apply a thin film from the polymer solution to the layer. Evaporate the solution.
⊙ 생성된 이중층을 컨디셔닝한다.Condition the created bilayer.
실시예 20Example 20
이중층 구조(TETD-1)는 다음과 같다:The double layer structure (TETD-1) is as follows:
조성물:Composition:
상층: SPEK(2.13meq/g): 76.5중량%; NH2-PES(1.9meq/g): 22.5중량%; PVDF: 1중량%Upper layer: SPEK (2.13 meq / g): 76.5 weight%; NH 2 -PES (1.9 meq / g): 22.5 wt%; PVDF: 1 wt%
하층: SPEK(2.13meq/g): 75중량%; NO2-PES(1.97meq/g): 24중량%; PVDF: 1중량%Lower layer: SPEK (2.13 meq / g): 75% by weight; NO 2 -PES (1.97 meq / g): 24% by weight; PVDF: 1 wt%
막 구조Membrane structure
도 3은 이중층 막의 스펙트럼을 나타낸다. 도면으로부터 1535cm-1, 1346cm-1및 908cm-1에서의 하층의 흡수밴드가 NO2-PES의 진동에 속함을 알 수 있다.3 shows the spectrum of a bilayer membrane. From the figure that the absorption band of the lower layer at 1535cm -1, 1346cm -1 and 908cm -1 it can be seen that belongs to the vibration of the NO 2 -PES.
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